CN101498304B - 一种煤层气双螺杆压缩机组 - Google Patents

Abstract

一种煤层气双螺杆压缩机组，它由多个压缩机并联组成，该压缩机各设置有进气管，其中第一列压缩机(11-1)的进气管(12)通过第一级进气配管(2)与压缩机组的吸入总管(1)相连通，该第一级进气配管的两侧对称设置有第二级进气配管(3)，第二列压缩机(11-2)的进气管通过第二级与第一级进气配管与吸入总管相连通，进气管、第一、二级进气配管以及吸入总管构成压缩机组的吸入管系(10)，该吸入管系采用等压力降方法配置，第二级进气配管的管径尺寸设置为第一级进气配管的管径尺寸平方与进气管的管径尺寸平方之和的平方根；本发明优点是运行压力均衡并可实现额定的输气量，机组具有良好的运行可靠性、稳定性以及使用寿命。

Description

一种煤层气双螺杆压缩机组

技术领域

本发明涉及到一种煤层气回收技术领域，具体指一种用于矿井瓦斯回收利用系统中的煤层气双螺杆压缩机组；它具有良好的运行可靠性与使用寿命，尤其适宜于大型矿井瓦斯回收系统中应用。

背景技术

煤层气双螺杆压缩机组是由多个所述压缩机并联组成，该多个压缩机11各设置有进气管12与输出管13，该多个压缩机的进气管12通过分级进气配管2、23与机组的吸入总管1相连通，进气管12、进气配管2、23以及吸入总管1构成压缩机组的吸入管系10；所述多个压缩机的输出管13共同连通一机组输出总管4。来自矿井的低压瓦斯经所述机组的吸入管系10输入至多个压缩机11，经加压后并通过所述机组的输出总管4输送给用户；如图2所示。

目前，所述煤层气双螺杆压缩机组在并联压缩机组吸入管系的设计中，通常采用等流速的设计方法，即为了达到进气均匀，所述多个压缩机中的每台压缩机进气管12流速相等；如果说煤层气双螺杆压缩机组的并联压缩机的台数为n＝4，即四个压缩机11-1、11-2、11-3、11-4并联组成，采用等流速的设计方法配置的吸入管系的通常方法如图2所示；其中

D₁₂为每个压缩机进气管12的管径；

D₁为吸入管系中的吸入总管1的管径，若取吸入总管1的流速为每个压缩机进气管12的流速的0.82，则吸入总管1的管径可按下式计算：

$D_1=1.1D_{12}\sqrt{n}\left(\mathrm{mm}\right)$

D₂、D₂₃分别为分级进气配管2、23的管径，在吸入管系中分级进气配管2、23的管径D₂、D₂₃的流速为进气管12的流速的0.59，并联压缩机的台数为n＝4，则D₂、D₂₃的管径可按下式计算：

$D_2=1.3D_{12}\sqrt{n}\left(\mathrm{mm}\right)$

D₂₃＝1.3D₁₂(mm)

压缩机的进气管12与输出管13根据压缩机的吸入口与输出口的流速来确定。可燃气压缩机的吸入口流速通常为每秒15米左右，即15m/s，输出口的流速通常为每秒10米左右，即10m/s。

按常规，所述多个压缩机吸入管系中各进气管12之间的压力降差值应控制在5％以下，否则为影响所述压缩机组的正常运行。

采用等流速设计方法的吸入管系压力降计算如下：

(1)吸入管系流动状态分析(见图2)

若每台压缩机进气管径D₁₂＝200mm，气量为V＝1800m³/h，则进口流速为ν_d＝15.9m/s，总管 $D_1=1.1D_{12}\sqrt{n}=440\mathrm{mm},$ 流速ν_D＝13m/s。第一级进气配管 $D_2=1.3D_{12}\sqrt{n}=520\mathrm{mm},$ $v_{D_1}=9.38m/s.$ 第二级进气配管D₂₃＝1.3D₁₂＝260mm， $v_{D_2}=9.38m/s.$

根据d，V，ρ，μ可计算出吸入管系中各段的雷诺数

$\mathrm{Re}=\frac{354\mathrm{\ρV}}{\mathrm{d\μ}}$

其中，D₁₂-压缩机进气管12的管道内径(mm)；

V-流体的体积流量(m³/h)；

ρ-流体密度(kg/m³)；

μ-流体粘度(MPa·s)。

甲烷：ρ＝0.7143kg/m³，μ＝0.011MPa·s。

则D₁₂段Re＝354×1800×0.7143/200/0.011＝2.07×10⁵

D₁段Re＝354×1800×4×0.7143/440/0.011＝3.76×10⁵

D₂段Re＝354×1800×4×0.7143/520/0.011＝3.18×10⁵

D₂₃段Re＝354×1800×0.7143/260/0.011＝1.59×10⁵

以上各段Re都大于4000，均属于湍流(紊流)，其流动的摩擦力损失都与流速的平方成正比。

(2)压缩机组的压缩机11-1进口压力降计算(按等温流动计算)

$\mathrm{\Δ}{P}_f=6.26\×{10}^3\frac{\mathrm{g\λL}{W}_G^2}{d^5{\mathrm{\ρ}}_m}$

其中，ΔP_f-管道摩擦压力降(kPa)；

g-重力加速度，9.81m/s²；

λ-摩擦系数，无因次量，与雷诺数及管壁相对粗糙ε/d有关；

L-管道长度(m)；

W_G-气体质量流量(kg/h)；

d-压缩机进气管12的管道内径，即D₁₂(mm)；

ρ_m-气体平均密度(kg/m³)， ${\mathrm{\ρ}}_m=\frac{{\mathrm{\ρ}}_1-{\mathrm{\ρ}}_2}{3}+{\mathrm{\ρ}}_2;$

ρ₁，ρ₂-分别为管道上下游气体密度(kg/m³)。

在图2中，进气总管长度100m，它与气柜连通，气柜的压力为10kPa，管子用无缝钢管，绝对粗糙度ε＝0.2mm，ε/D＝0.2/440＝4.55×10^-4mm，Re＝3.76×10⁵，按摩擦系数与雷诺数及管壁相对粗糙度表中查得λ＝0.0165，W_G＝1800×4×0.7143＝5142.96kg/h。

分级进气配管23与压缩机11-2的进气管12前端之间的6处压降为：

$\mathrm{\Δ}{P}_f=6.26\×{10}^3\×9.81\×\frac{0.0165\×100\×{5142.96}^2}{{440}^5\×0.7143}=0.2275\mathrm{kPa}$

在图2中，取L₁＝5m，Re＝3.18×10⁵，ε/d＝0.2/520＝3.846×10^-4，按摩擦系数与雷诺数及管壁相对粗糙度表中查得，λ＝0.0158，W_g＝5142.96kg/h。

分级进气配管2与压缩机11-1进气管12前端之间的5处压降为：

$\mathrm{\Δ}{P}_f=6.26\×{10}^3\×9.81\×\frac{0.0158\×5\×{5142.96}^2}{{520}^5\×0.7143}=4.7\×{10}^{-4}\mathrm{kPa}$

在图2中，取d管的长度为10m，Re＝2.07×10⁵，ε/d＝0.1/200＝5×10^-4，按摩擦系数与雷诺数及管壁相对粗糙度表中查得，λ＝0.017，W_G＝1285.74kg/h。

分级进气配管23与压缩机11-2进气管12后端之间的7处压降为：

$\mathrm{\Δ}{P}_f=6.26\×{10}^3\×9.81\×\frac{0.017\×10\×{1285.74}^2}{{200}^5\×0.7143}=7.55\×{10}^{-2}\mathrm{kPa}$

在图2中，气体从分级进气配管2经5处流出，其压力将可按下式计算：

$\mathrm{\Δ}{P}_k=1.5\×\frac{{\mathrm{\μ}}^2\mathrm{\ρ}}{2\×{10}^3}=1.5\×\frac{{15.9}^2\×0.7143}{2\×{10}^3}=0.1354\mathrm{kPa}$

由此得出，从气柜经进气总管D₁(100m)，进入第一级进气配管D₂，再经过压缩机进口管D₁₂(10m)到压缩机11-1进口处7的压力降为：

$\mathrm{\Δ}{P}_{L_1}=0.2275+4.7\×{10}^{-4}+7.55\×{10}^{-2}+0.1354=0.43887\mathrm{kPa}.$

同理可知，对称布置的压缩机11-3进口处的压力降与压缩机11-1相同。

(3)压缩机11-2进口压力降计算(按等温流动计算)

从图2中可知，压缩机11-2进口处6的压力降，在压缩机11-1的压力降的基础上还要增加管道L₂＝10m的压力降，和从管子D₂处流出进入D₂₃的压力降的总和

D₂₃的长度为10m，Re＝1.59×10⁵，ε/d＝0.1/260＝3.846×10^-4，按摩擦系数与雷诺数及管壁相对粗糙度表中查得，λ＝0.0158，W_G＝128.74kg/h。

6处压力降： $\mathrm{\Δ}{P}_f=6.26\×{10}^3\×9.81\×\frac{0.0158\×10\×{128.74}^2}{{260}^5\×0.7143}=1.89\×{10}^{-4}\mathrm{kPa}$

气体从管子D₂流体进入D₂₃的压力降可按下式计算：

$\mathrm{\Δ}{P}_k=1.5\×\frac{{\mathrm{\μ}}^2\mathrm{\ρ}}{2\×{10}^3}=1.5\×\frac{{9.381}^2\×0.7143}{2\×{10}^3}=4.714\×{10}^{-2}\mathrm{kPa}$

式中， $\mathrm{\μ}={\mathrm{\υ}}_{D_2}=9.381m/s.$

由此得出，压缩机11-2进口压力降为

ΔP₁＝ΔP₂+1.89×10^-4+4.714×10^-2＝0.43887+0.047329＝0.486199kPa

以上所述计算公式与所述摩擦系数与雷诺数及管壁相对粗糙度表均来源于《液压流体力学》，机械工业出版社1980年出版。

根据以上压缩机组的进口压力降计算结果，所述压缩机11-2进口处压力损失比所述压缩11-1进口处压力损失多10％；因而，现有的压缩机组为出现其中的某些压缩机的抢气现象，甚至造成其中的某些压缩机不能达到额定的输气量，从而影响所述压缩机组的正常运行。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的状况，提供一种具有良好的运行可靠性与安全性的煤层气双螺杆压缩机组。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种煤层气双螺杆压缩机组，该压缩机组由多个压缩机并联组成，该多个压缩机各设置有进气管，该多个压缩机中第一列压缩机的进气管通过第一级进气配管与所述压缩机组的吸入总管相连通，该第一级进气配管的两侧对称设置有第二级进气配管，该多个压缩机中第二列压缩机的进气管通过所述第二级进气配管以及所述第一级进气配管与所述压缩机组的吸入总管相连通，所述进气管、所述第一级进气配管与所述第二级进气配管、所述吸入总管构成压缩机组的吸入管系，其特征在于：所述吸入管系采用等压力降设计方法配置，所述第二级进气配管的管径D₃尺寸设置为所述第一级进气配管的管径D₂尺寸平方与所述进气管的管径D₁₂尺寸平方之和的平方根，即

$D_3=\sqrt{{\left(D_2\right)}^2+{\left(D_{12}\right)}^2}\left(\mathrm{mm}\right).$

由于采用以上第二级进气配管的管径尺寸设置方法，可实现压缩机组的吸入管系相等压力降效果，从而实现该压缩机组的四列压缩机进气管的进口处吸入压力基本相同并且压缩机组运行中压力比较均衡，因此不为出现其中某些压缩机的抢气现象，且每台压缩机可以达到额定的输气量，即提高了压缩机组运行性能与使用寿命。

所述第一级进气配管的另一侧设置有与所述第一列压缩机对称布置的第三列压缩机。所述第二级进气配管的另一侧设置有与所述第二列压缩机对称布置的第四列压缩机。其有益效果是能够确保在长期运行中全部机组进口压力均匀，并且可以提高使用寿命。

本发明同样还可以适用于离心式压缩机组和往复式压缩机组。

本发明采用等压力降方法配置压缩机组的吸入管系，与现有技术相比，其优点是具有良好的运行可靠性、稳定性及其使用寿命。

附图说明

图1为本发明并联压缩机吸入管系等压力降配置示意图；

图2为一种现有技术示意图；

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1示，该压缩机组由四列压缩机11-1、11-2、11-3、11-4并联组成。该四列压缩机各设置有进气管12与输出管13。

该第一列压缩机11-1的进气管12通过第一级进气配管2与所述压缩机组的吸入总管1相连通；该第一级进气配管2的两侧对称设置有第二级进气配管3，该多个压缩机中第二列压缩机11-2的进气管12通过所述第二级进气配管3以及所述第一级进气配管2与所述压缩机组的吸入总管1相连通。

第一级进气配管2的另一侧设置有与第一列压缩机11-1对称布置的第三列压缩机11-3。

第二级进气配管3的另一侧设置有与所述第二列压缩机11-2对称布置的第四列压缩机11-4。

所述进气管12、所述第一级进气配管2与所述第二级进气配管3、所述吸入总管1构成压缩机组的吸入管系10。

所述多个压缩机的输出管13共同连通一机组输出总管4，来自矿井的低压瓦斯气柜经所述吸入管系10输入至压缩机，经加压后并通过所述输出总管4输送给用户。

本发明采用等压力降方法配置压缩机组的吸入管系10。即在吸入管系10中的第二级进气配管3的管径D₃尺寸设置为第一级进气配管2的管径D₂尺寸平方与进气管12的管径D₁₂尺寸平方之和的平方根。

本发明采用等压力降方法配置压缩机组的吸入管系的压力降计算分析如下：

以四列压缩机11-1、11-2、11-3、11-4并联采用等压力设计方法配置吸入管系，见图1所示，图1中的符号意义、尺寸以及参数除第二级进气配管3的管径D₃尺寸及其计算方法与现有技术不同外，其它均与现有技术的图2中相同：

该二级进气配管3的管径D₃尺寸设置为

$D_3=\sqrt{{\left(D_2\right)}^2+{\left(D_{12}\right)}^2}\left(\mathrm{mm}\right).$

(1)吸入管系流动状态分析，参见图1所示

四列压缩机11-1、11-2、11-3、11-4进气管的管径为D₁₂＝200mm，气量为V＝1800m³/h，则进口流速为ν_d＝15.9m/s，总进气管 $D_1=1.1D_{12}\sqrt{n}=440\mathrm{mm},$ 流速ν_D＝13m/s。第一级进气配管 $D_2=1.3D_{12}\sqrt{n}=520\mathrm{mm},$ $v_{D_1}=9.38m/s.$ 第二级进气配管 $D_3=\sqrt{D_2^2+D_{12}}=557\left(\mathrm{mm}\right),$ 取560mm， $v_{D_2}=2.03m/s.$ 根据 $\mathrm{Re}=\frac{354\mathrm{\ρV}}{\mathrm{d\μ}},$ 计算出进气管各段的雷诺数。

甲烷：V＝1800m³/h，ρ＝0.7143kg/m³，μ＝0.011MPa·s。

D₁₂段Re＝2.07×10⁵

D₁段Re＝3.76×10⁵

D₂段Re＝3.18×10⁵

D₂₃段Re＝354×1800×0.7143/560/0.011＝7.3888×10⁴

(在确定D₂段管径时核算其Re大于3000)以上各段都属于湍流状态。

(2)压缩机11-1机进口压力降计算(按等温流动计算)

在图1中，进气总管1的长度为100m，它与气柜连通，气柜的压力为10kPa，管子用无缝钢管，绝对粗糙度ε＝0.2mm，ε/d＝0.2/440＝4.55×10^-4，Re＝3.76×10⁵，按摩擦系数与雷诺数及管壁相对粗糙度表中查得，λ＝0.0165。

$\mathrm{\Δ}{P}_f=6.26\×{10}^3\×\frac{\mathrm{g\λL}{W}_G^2}{d^5{\mathrm{\ρ}}_m}$

6处压降：ΔP_f＝0.2275kPa

5处压降：ΔP_f＝4.7×10^-5kPa

7处压降：ΔP_f＝7.55×10^-2kPa

在图1中，气体从第一级进气配管2经5处流出进入压缩机进口管12的压力降可按下式计算

$\mathrm{\Δ}{P}_k=1.5\×\frac{{\mathrm{\μ}}^2\mathrm{\ρ}}{2{\×10}^3}=1.5\×\frac{{15.9}^2\×0.7143}{2\×{10}^3}=0.1354\mathrm{kPa}$

由此得出从气柜经进气总管D₁(100m长)，进入第一级进气配管D₂，再经压缩机进口管D₁₂(10m)到压缩机11-1机进口处7的压力降为

ΔP₂＝0.2275+4.7×10^-4+7.55×10^-2+0.1354＝0.43887kPa

同理可知，压缩机11-3机进口处的压力降与11-1机相同。

(3)压缩机11-2进口压力降计算(按等温流动计算)

从图1可知，压缩机11-2进口处6的压力降，在压缩机11-1的压力降的基础上还要增加管道L₂＝10m的压力降和从第一级进气配管2处流进第二级进气配管3的压力降的总和；

第二级进气配管段长度为10m，直径为560mm，Re＝7.3888×10⁴，ε/d＝0.2/560＝3.5714×10^-4，按摩擦系数与雷诺数及管壁相对粗糙度表中查得，λ＝0.0156，W_G＝128.74kg/h。

6处的压力降为

$\mathrm{\Δ}{P}_f=6.26\×{10}^3\×9.81\×\frac{0.0156\×10\×{128.74}^2}{{560}^5\×0.7143}=4.036\×{10}^{-6}\mathrm{kPa}$

在图1中，气体从第一级进气配管2流出，进入第二级进气配管3的压力降可按下式计算

$\mathrm{\Δ}{P}_k=-0.5\×\frac{{\mathrm{\μ}}^2\mathrm{\ρ}}{2\×{10}^3}=-0.5\×\frac{{2.03}^2\×0.7143}{2\×{10}^3}=-7.3589\×{10}^{-4}\mathrm{kPa}$

式中， $\mathrm{\μ}={\mathrm{\υ}}_{D_2}=2.03m/s.$

由此得出压缩机11-2号机进口压力降为

ΔP₁＝ΔP₂+4.036×10^-6-7.3589×10^-4＝0.43814kPa

同理可知，压缩机11-4进口处8压力降与压缩机11-2相同。

本发明以上所述计算公式与所述摩擦系数与雷诺数及管壁相对粗糙度表均来源于《液压流体力学》，机械工业出版社1980年出版。

本发明根据以上等压力降方法配置压缩机组的吸入管系10，该压缩机组的四列压缩机11-1、11-2、11-3、11-4进气管的进口处吸入压力基本相同；由于压缩机组运行中压力均衡，因而，不为出现其中某台压缩机的抢气现象，且每台压缩机可以达到额定的输气量；从而提高了运行可靠性、稳定性、安全性以及使用寿命。

本发明同样还可以适用于其它结构型式的压缩机组，如离心式压缩机组和往复式压缩机组等。

本发明特别适用于大型煤矿区域的煤层气回收系统中。

Claims (3)

1.一种煤层气双螺杆压缩机组，该压缩机组由多个压缩机并联组成，该多个压缩机各设置有进气管(12)，该多个压缩机中第一列压缩机(11-1)的进气管(12)通过第一级进气配管(2)与所述压缩机组的吸入总管(1)相连通，该第一级进气配管(2)的两侧对称设置有第二级进气配管(3)，该多个压缩机中的第二列压缩机(11-2)的进气管(12)通过所述第二级进气配管(3)以及所述第一级进气配管(2)与所述压缩机组的吸入总管(1)相连通，所述进气管(12)、所述第一级进气配管(2)与所述第二级进气配管(3)、所述吸入总管(1)构成压缩机组的吸入管系(10)，其特征在于：所述吸入管系(10)采用等压力降的设计方法配置，所述第二级进气配管(3)的管径D₃尺寸设置为所述第一级进气配管(2)的管径D₂尺寸平方与所述进气管(12)的管径D₁₂尺寸平方之和的平方根，即

$D_3=\sqrt{{\left(D_2\right)}^2+{\left(D_{12}\right)}^2}\left(\mathrm{mm}\right).$

2.根据权利要求1所述的煤层气双螺杆压缩机组，其特征在于：所述第一级进气配管(2)的另一侧设置有与所述第一列压缩机(11-1)对称布置的第三列压缩机(11-3)。

3.根据权利要求1所述的煤层气双螺杆压缩机组，其特征在于：所述第二级进气配管(3)的另一侧设置有与所述第二列压缩机(11-2)对称布置的第四列压缩机(11-4)。

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